一種五自由度的白光干涉原子力探針位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超精密表面形貌/結(jié)構(gòu)測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡系統(tǒng)的原子力探針位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著加工能力的提升和加工精度的提高，使得機(jī)械、電子、光學(xué)、材料等工業(yè)不斷的微型化、精密化，加工得到的表面形貌/結(jié)構(gòu)精度達(dá)到納米量級(jí)，對被加工表面的檢測也提出了更高要求。
[0003]超精密表面的測量，除了要檢測高度方向和橫向間距方向均是納米量級(jí)的加工零件、材料表面微觀三維形貌外，還要檢測由微電子、微光學(xué)元件、微機(jī)械等微觀結(jié)構(gòu)單元組成的三維復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，被測參數(shù)不僅包括表面的粗糙度、形狀偏差，還要測量微結(jié)構(gòu)的三維尺寸、輪廓、膜厚等。這就要求超精密表面形貌/結(jié)構(gòu)測量儀器必須具備垂直、水平方向上的高分辨力和較大的測量范圍。
[0004]原子力掃描探針顯微鏡具有原子級(jí)分辨力，其橫、縱向分辨力分別可達(dá)到0.lnm和0.0lnm，可以直接觀察分子或原子。原子力掃描探針顯微鏡可以適應(yīng)不同的測量環(huán)境，溫度要求也不苛刻，因此廣泛用于超精密表面形貌/結(jié)構(gòu)測量。
[0005]而原子力探針是原子力掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，用原子力顯微鏡進(jìn)行超精密表面形貌/結(jié)構(gòu)測量時(shí)，原子力探針的姿態(tài)需要調(diào)節(jié)為最佳，并且保證穩(wěn)定，測量結(jié)果才會(huì)準(zhǔn)確穩(wěn)定。由于原子力探針尺寸都在納米級(jí)別，對它進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，需要無極調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)過程連續(xù)可控，并且需要在各個(gè)角度、方向之間的調(diào)節(jié)沒有干涉，互不影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的原子力探針的五自由度位姿調(diào)節(jié)裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡易，可以實(shí)現(xiàn)多角度、多方向精細(xì)調(diào)節(jié)且相互之間沒有干涉影響的特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明提出了一種五自由度原子力探針位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)，其用于基于白光干涉的原子力探針掃描顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，該機(jī)構(gòu)包括由下至上依次設(shè)置的第一調(diào)節(jié)部件、第二調(diào)節(jié)部件、第三調(diào)節(jié)部件以及第四調(diào)節(jié)部件，其中，
[0008]第一調(diào)節(jié)部件包括調(diào)節(jié)臂、副支架、第一調(diào)節(jié)部，所述調(diào)節(jié)臂(2)用于固定承載原子力探針的探針座，所述第一調(diào)節(jié)部分別擠壓所述調(diào)節(jié)臂右端的外里側(cè)，由此實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的里外水平偏擺調(diào)節(jié)與鎖定；
[0009]第二調(diào)節(jié)部件包括探針座、調(diào)節(jié)臂、鎖緊螺釘及第二調(diào)節(jié)部，所述第二調(diào)節(jié)部與所述探針座固定，所述第二調(diào)節(jié)部左右拖動(dòng)及里外旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)承載于所述調(diào)節(jié)臂內(nèi)的所述探針座相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的左右水平和上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，所述鎖緊螺釘用于鎖定原子力探針調(diào)整好后的姿態(tài)；
[0010]第三調(diào)節(jié)部件包括調(diào)節(jié)支架、第三調(diào)節(jié)部及鎖緊手柄，所述第三調(diào)節(jié)部與所述調(diào)節(jié)支架固定，所述第三調(diào)節(jié)部左右旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)與所述調(diào)節(jié)支架連接的所述調(diào)節(jié)臂相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針上下俯仰調(diào)節(jié)，所述鎖緊手柄用于鎖定原子力探針調(diào)整好后的姿態(tài)；
[0011]第四調(diào)節(jié)部件包括所述連接頭、主支架及第四調(diào)節(jié)部，所述連接頭與所述掃描顯微鏡系統(tǒng)中的顯微鏡固定，所述第四調(diào)節(jié)部分別與所述連接頭上、下部配合，所述主支架與所述連接頭中部配合，調(diào)節(jié)所述第四調(diào)節(jié)部帶動(dòng)所述主支架及與其固定的所述原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置上下調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的上下豎直調(diào)節(jié)與鎖定；
[0012]所述調(diào)節(jié)支架為一長方體兩對側(cè)面分別帶有圓柱體的結(jié)構(gòu)，所述副支架整體呈U字形結(jié)構(gòu)，其中U形結(jié)構(gòu)的兩臂面上的沿開口方向的一側(cè)中部分別開有開口方向與U形結(jié)構(gòu)開口方向相同的U形槽，U形架兩臂面沿與U形結(jié)構(gòu)底面平行的方向上各設(shè)有一用于與所述調(diào)節(jié)臂固定的長方體調(diào)節(jié)支架臂，所述調(diào)節(jié)支架的兩端的所述兩個(gè)圓柱分別夾持于兩個(gè)所述u形槽內(nèi)。
[0013]本發(fā)明還提出了一種五自由度的原子力探針位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)，其用于基于白光干涉的原子力探針掃描顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，該裝置包括由下至上依次設(shè)置的里外水平偏擺調(diào)節(jié)部件、左右水平和上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)部件、上下俯仰調(diào)節(jié)部件以及上下豎直調(diào)節(jié)部件，其中，
[0014]里外水平偏擺調(diào)節(jié)部件包括調(diào)節(jié)臂、副支架、第一調(diào)節(jié)部，其中所述調(diào)節(jié)臂用于固定承載原子力探針的探針座，同時(shí)與所述調(diào)節(jié)支架活動(dòng)連接，所述第一調(diào)節(jié)部分別擠壓所述調(diào)節(jié)臂右端的內(nèi)外側(cè)，由此實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的里外水平偏擺調(diào)節(jié)與鎖定；所述調(diào)節(jié)臂由階梯形長方體構(gòu)成，其用于與探針座進(jìn)行固定連接；
[0015]左右水平和上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)部件包括探針座、調(diào)節(jié)臂、鎖緊螺釘及第二調(diào)節(jié)部，所述探針座左側(cè)穿過所述調(diào)節(jié)臂下部后，所述針座左端與所述第二調(diào)節(jié)部固定，通過左右拖動(dòng)及里外旋轉(zhuǎn)所述第二調(diào)節(jié)部可帶動(dòng)所述探針座相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的左右水平和上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，所述鎖緊螺釘與所述調(diào)節(jié)臂底面左側(cè)中部的螺紋孔配合，用于鎖定原子力探針調(diào)整好后的姿態(tài)；
[0016]上下俯仰調(diào)節(jié)部件包括調(diào)節(jié)支架、第三調(diào)節(jié)部及鎖緊手柄，所述第三調(diào)節(jié)部與所述調(diào)節(jié)支架固定，所述調(diào)節(jié)支架為一長方體兩對側(cè)面分別帶有圓柱體的結(jié)構(gòu)；所述副支架整體呈U字形結(jié)構(gòu)，其中U形結(jié)構(gòu)的兩臂面上的沿開口方向的一側(cè)中部分別開有開口方向與U形結(jié)構(gòu)開口方向相同的U形槽，U形架兩臂面沿與U形結(jié)構(gòu)底面平行的方向上各設(shè)有一用于與所述調(diào)節(jié)臂固定的長方體調(diào)節(jié)支架臂，所述調(diào)節(jié)支架的兩端的所述兩個(gè)圓柱體分別夾持于兩個(gè)所述U形槽內(nèi)，所述長方體調(diào)節(jié)支架臂用于與所述調(diào)節(jié)臂固定，通過左右旋轉(zhuǎn)所述第三調(diào)節(jié)部可以帶動(dòng)與所述調(diào)節(jié)支架連接的所述調(diào)節(jié)臂相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針上下俯仰調(diào)節(jié)，所述鎖緊手柄與所述調(diào)節(jié)支架外側(cè)端面配合，用于固定所述調(diào)節(jié)支架于所述副支架的相對位置，從而鎖定原子力探針調(diào)整好后的姿態(tài)；
[0017]上下豎直調(diào)節(jié)部件包括所述連接頭、主支架及第四調(diào)節(jié)部，所述連接頭與所述掃描顯微鏡系統(tǒng)中的顯微鏡固定，所述第四調(diào)節(jié)部分別與所述連接頭上、下部配合，所述主支架與所述連接頭中部配合，通過調(diào)節(jié)所述第四調(diào)節(jié)部帶動(dòng)所述主支架及與其固定的所述原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置上下調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)所述原子力探針的上下豎直調(diào)節(jié)與鎖定。
[0018]本發(fā)明在保證原子力顯微鏡測量效果的前提下，通過細(xì)螺紋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)原子力探針在各方向的連續(xù)調(diào)節(jié)，用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)配合細(xì)螺紋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)原子力探針在各角度的連續(xù)調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)原子力探針位姿的精細(xì)調(diào)節(jié)，并可以鎖定調(diào)節(jié)后的位姿。使原子力顯微鏡工作在最佳狀態(tài)，提高其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019]圖1為按照本發(fā)明的原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)中白光干涉原子力顯微鏡系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置中的探針座的示意圖
[0022]圖4為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置中的調(diào)節(jié)臂的示意圖；
[0023]圖5為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置中的副支架的示意圖；
[0024]圖6為按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置中的調(diào)節(jié)支架的示意圖。
[0025]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0026]1-探針座2-調(diào)節(jié)臂3-第一調(diào)節(jié)螺釘4-副支架5-第二調(diào)節(jié)螺釘蓋板6_鎖緊螺釘7-第一調(diào)節(jié)手柄8-調(diào)節(jié)支架9-第二調(diào)節(jié)手柄10-鎖緊手柄11-第一調(diào)節(jié)螺母12-連接頭13-主支架14-第二調(diào)節(jié)螺母15-顯微物鏡16-干涉系統(tǒng)17-CXD 18-測控系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0028]圖1為按照本發(fā)明的原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置包括里外水平偏擺調(diào)節(jié)部件、左右水平和里外旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)部件、上下俯仰偏擺調(diào)節(jié)部件以及上下豎直調(diào)節(jié)部件這幾維的調(diào)節(jié)部件。
[0029]其中，位于整個(gè)調(diào)節(jié)裝置最下端的里外水平偏擺部件結(jié)構(gòu)如下:如圖3所示，探針座1為三部分構(gòu)成，一部分為圓柱體101，中間部分為長方體102，第三部分為在長方體右側(cè)下端中部連接的一小長方體103，小長方體103末端下平面用于固定原子力探針。
[0030]如圖2及圖5所示，副支架4主體為U形架，其中副支架4用于于主支架13實(shí)現(xiàn)連接傳動(dòng)，副支架4主要輔助完成原子力探針的微調(diào)，該U形架整體呈U字形結(jié)構(gòu)，其中U形結(jié)構(gòu)的兩臂面上的沿開口方向的一側(cè)中部分別開有開口方向與U形結(jié)構(gòu)相同的U形槽401,402, U形架兩臂面沿與U形結(jié)構(gòu)底面平行的方向上各設(shè)有一長方體調(diào)節(jié)支架臂，前后兩調(diào)節(jié)支架底部中間各設(shè)有螺紋孔403、404，副支架4U形結(jié)構(gòu)的底面右側(cè)中部設(shè)有兩螺紋孔，用于與主支架13的配合安裝；
[0031]調(diào)節(jié)臂2由階梯形長方體構(gòu)成，其用于與探針座1進(jìn)行固定連接，其階梯形高出部分即上部的長方體端面中心設(shè)有螺紋孔203，用于與調(diào)節(jié)支架8的長方形調(diào)節(jié)支架臂固定配合，下部長方體右側(cè)中心設(shè)有貫穿整個(gè)階梯形長方體結(jié)構(gòu)的圓形通孔201，下部長方體左側(cè)底部中間設(shè)有螺紋孔202。
[0032]探針座1左側(cè)的圓柱體101穿過調(diào)節(jié)臂2的圓形通孔201，鎖緊螺釘6旋入調(diào)節(jié)臂2底部的螺紋孔202，使探針座1與調(diào)節(jié)臂2固定，第一調(diào)節(jié)螺釘3，由螺桿和螺帽組成，通過旋入副支架4外側(cè)調(diào)節(jié)支架底部的螺紋孔404，其螺桿底部擠壓調(diào)節(jié)臂2外側(cè)，使調(diào)節(jié)臂2向里擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)原子力探針向里水平偏擺調(diào)節(jié)；第二調(diào)節(jié)螺釘5，由螺桿和螺帽組成，通過旋入副支架4內(nèi)側(cè)調(diào)節(jié)支架底部的螺紋孔403，其螺桿底部擠壓調(diào)節(jié)臂內(nèi)側(cè)，使調(diào)節(jié)臂2向外擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)原子力探針向外水平偏擺調(diào)節(jié)；通過第一調(diào)節(jié)螺釘3和第二調(diào)節(jié)螺釘5的配合調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)原子力探針的水平偏擺調(diào)節(jié)，并可以鎖定調(diào)節(jié)后的姿態(tài)。
[0033]其中左右水平和里外旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)部件的結(jié)構(gòu)如下:第一調(diào)節(jié)手柄7為階梯圓柱體，大圓柱體外圈有滾花，大圓柱體端面中心至小圓柱體端面中心設(shè)有從大到小的階梯通孔；探針座1左側(cè)的圓柱體101穿過調(diào)節(jié)臂2的圓形通孔201，探針座1左端面中心設(shè)有螺紋孔，通過與第一調(diào)節(jié)手